标题:
基于单片机和FPGA设计的程控滤波器
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作者:
520503
时间:
2015-1-19 22:37
标题:
基于单片机和FPGA设计的程控滤波器
关键字：程控滤波器 可变增益放大 截止频率可调 幅度测量
以单片机和可编程逻辑器件（FPGA）为控制核心，设计了一个
程控滤波器
，实现了小信号程控放大、程控调整滤波器截止频率和幅频特性测试的功能。其中放大模块由
可变增益放大
器AD603实现，最大增益60dB，10dB步进可调，增益误差小于1%。程控滤波模块由MAX297低通滤波、TLC1068高通滤波及椭圆低通滤波器构成，滤波模式用模拟开关选择。本系统程控调整有源滤波的-3dB截止频率，使其在1~30kHz范围内可调，误差小于1.5%。此外，采用有效值采样芯片AD637及12位并行A
/
D转换器MAX120实现了对扫频信号幅度的测量。
滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，可用于对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除。它在电子领域中占有很重要的地位，在信号处理、抗干扰处理、电力系统、抗混叠处理中都得到了广泛的应用。而对于程控滤波器，该系统的最大特点在于其滤波模式可以程控选择，且-3 dB截止频率程控可调，相当于一个集多功能于一体的滤波器，将有更好的应用前景。此外，系统具有幅频特性测试的功能，并通过示波器显示频谱特性，可直观地反应滤波效果。
1 方案论证与选择
1.1 可变增益放大模块的设计与论证
方案1：数字电位器控制两级INA129级联。用FPGA控制数字电位器DS1267使其输出不同的阻值，作为高精度仪表放大器INA129的反馈电阻。通过控制数字电位器来改变INA129的放大倍数，从而实现放大器的增益可调。
方案2：采用可变增益放大器AD603实现。可变增益放大器内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；可通过单片机控制，由DAC产生精确的参考电压控制增益，从而实现较精确的数控。
由于输入的正弦小信号振幅10 mV，电压增益60 dB，10 dB步进程控可调，且电压增益误差不能大于5％。对精度而言两个方案都可实现，在AD603后再加一级放大也可实现60 dB的放大倍数。但数字电位器内部结构复杂，有电容影响，后级接运放后会带来意想不到的后果，因此采用方案2。
1.2 滤波器模块的设计与论证
方案1：采用数字滤波器。利用MATLAB的数字滤波器设计FIR或者IIR滤波器。数字滤波器具有精度高，截止特性好等优点。但是FIR滤波器会占用太多FPGA资源，IIR滤波器设计时工作量大且稳定性不高，且要使
截止频率可调
，必须使用不同的参数，设计起来软件量比较大。
方案2；采用无源LC滤波器。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易地设计出理想的滤波器。但是如果要截止频率可调，只有改变电感电容参数，硬件会非常复杂。
方案3：采用集成的开关电容滤波器芯片。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。其开关电容组在时钟频率的驱动下，可以等效成一个和时钟频率有关的等效电阻。当用外部时钟改变时，等效电阻改变，从而改变了滤波器的时间常敦，也就改变了滤波特性。开关电容滤波器可以直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要A／D、D／A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
综上所述，本系统采用方案3，利用集成芯片MAX297实现低通滤波器，利用LTC1068实现高通滤波器；采用方案2，利用无源LC滤波器技术来实现四阶椭圆低通滤波器。
2 系统总体设计方案及实现方框图
本系统以单片机及FPGA为控制核心，由可控增益放大模块、程控滤波模块和幅频特性测试模块构成。系统框图如图1所示。输入振幅为1 V的信号经分压网络衰减后变成振幅10 mV的小信号，经OPA690前级放大2倍，同时起到阻抗变换和隔离的作用。与此同时由AD9851产生一设定频率的正弦信号，通过模拟开关选择一道送到后级。信号由程序控制AD603进行0～60dB的可调增益放大后，送入滤波模块。滤波模块包括低通、高通、椭圆滤波器，其中低通、高通由程序控制-3 dB截止频率在1～30 kHz范围内可调，步进1kHz。椭圆滤波器截止频率50 kHz。再通过模拟开关选择某一特定滤波信号输出，经有效值检波和A／D转换后送入FPGA进行幅频特性的测试，再用两块DAC0800实现幅频特性曲线的显示。
4 系统软件设计
系统软件设计由单片机和FPGA组成，用户可以通过界面的显示选择高通、低通和椭圆滤波器，可以设置截止频率，同时可以显示幅频曲线。其中单片机主要完成用户的输入输出处理和系统控制，FPGA主要完成的功能有：控制AD9851产生扫频信号、控制滤波器截止频率的时钟信号的产生以及控制两块D／A以显示幅频特性曲线。程序流程图如图6所示。
5 测试方案与测试结果
5.1 放大器测试
放大器输入端的正弦信号频率为10 kHz，振幅为10 mV，设定增益大小分别为10、20、30、40、50、60dB，用示波器测量实际输出幅值，计算出实际增益，其误差小于1％。此外，测得放大器通频带为1～200kHz。
5.2 低通、高通滤波器测试
将放大器增益设置为40dB，滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器截止频率在1～30 kHz范围，步进为1kHz。用示波器测量实际截止频率，计算相对误差小于1．5％，且2fc处的电压总增益小于20dB。高通滤波器测试方法同理。
5.3 椭圆滤波器测试
放大器增益设置为40 dB，用示波器测量实际-3 dB截止频率和200 kHz处的总电压增益。测得fc=50．0kHz，在150 kHz处幅度就已几乎衰减到0。
5.4 幅频特性与相频特性测试
测量低通、高通滤波器的频率特性，在示波器上显示其幅频特性曲线，与所设置的滤波模式及截止频率相符。
6 结束语
本系统放大器增益范围10～60 dB，通频带1～200 kHz，增益误差小于1％。滤波器截止频率范围1～30kHz，误差小于1．5％。椭圆滤波器截止频率误差为0，在150 kHz处幅度几乎衰减到0。误差主要来源于时钟频率，当截止频率为20 kHz的时候，所需最高的时钟频率为2MHz，不能保证很好的时钟沿，而且时钟频率也不可能精确地控制，以及放大器的非线性误差。此外，利用DAC0800和有效值检波电路实现了幅频特性测试仪，系统整体性能良好。整个系统在单片机和FPGA的有机结合、协同控制下，工作稳定，测量精度高，人机交互灵活。
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